Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »ISEGRIM«
Additive Reparaturtechnologie für langlebige Fusionsreaktoren
Die wirtschaftliche Zukunft der Fusionsenergie hängt maßgeblich von der Lebensdauer der Plasma-Wand-Komponenten (Plasma-Facing Components, PFCs) ab. Diese aus Wolfram bestehenden Bauteile sind extremen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu Materialerosion und strukturellen Schäden führen. Ein Austausch ist kostenintensiv und aufwendig.
Im Forschungsprojekt »ISEGRIM – Identifizieren von Schäden verursacht durch Erosion im Generator und RegeneratIon des Materials mittels LMD-w« entwickeln die Projektpartner ein Reparaturverfahren, das die Lebensdauer der PFCs signifikant verlängert und so die Wirtschaftlichkeit von Fusionsreaktoren verbessert. Das neue Verfahren basiert auf dem Laserauftragschweißen mit Draht (Laser Metal Deposition with wire, LMD-w).
Optimiertes Verfahren meistert Herausforderungen bei der Verarbeitung von Wolframdraht
Eine zentrale Herausforderung beim LMD-w ist das wellige Oberflächenprofil, das durch die nebeneinander angeordneten Schweißraupen entsteht. Um eine glatte, gleichmäßige Schicht mit minimaler Rauheit zu erzeugen, wird eine optimierte Aufbaustrategie entwickelt, die den geforderten Spezifikationen für Geometrie und Rauheit entspricht – idealerweise ohne zusätzliche Nachbearbeitung. Gleichzeitig soll der Prozess sicherstellen, dass das aufgetragene Material defektfrei ist, um eine schnelle Materialermüdung zu vermeiden.
Die Verarbeitung von Wolfram-Draht stellt besondere Anforderungen: Das Material hat den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle – etwa 2000 °C über dem von Stahl – sowie eine hohe Spröd-Duktil-Übergangstemperatur. Aufgrund seiner Temperaturbeständigkeit und geringen Sputterraten ist es ideal für PFCs, aber schwer additiv zu verarbeiten.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wird das Lasersystem auf die Eigenschaften von Wolfram abgestimmt. Dabei werden verschiedene Lasersysteme und Optikkonfigurationen getestet. Eine koaxiale Drahtführung ermöglicht eine richtungsunabhängige Bearbeitung und erhöht die Prozessflexibilität.
Prozess- und Anlagentechnik für das Wolfram-Auftragschweißen
Das Fraunhofer IPT leitet das Teilprojekt FOWA (Fertigungsforschung Wolfram-Auftragschweißen). Bisherige Untersuchungen zeigen, dass die laserbasierte Verarbeitung von Wolfram spezifische Anforderungen an die Anlagentechnik stellt. Daher analysiert das Fraunhofer IPT experimentell die Prozesse und optimiert die Anlagenkonfiguration.
Ein zentrales Forschungsthema ist der LMD-w-Prozess unter Vakuumbedingungen. Im Vergleich zu Atmosphärenbedingungen wird die Oxidation verhindert und es stellen sich abweichende Temperaturgradienten ein. Unabhängig von den tatsächlichen Umgebungsbedingungen im Reaktor wird der Realprozess durch das flexible Vakuumsystem abgebildet. Im späteren Einsatz kann ein Reaktorvakuum gehalten und eine komplexe Schutzgasführung vermieden werden.
Kernstück des Projekts ist die Entwicklung einer spezialisierten Bearbeitungseinheit mit integrierter Vakuumeinheit, optimierter Optik und fortschrittlichen Sensorsystemen. Dies ermöglicht eine präzise Prozesssteuerung und eine reproduzierbare, qualitativ hochwertige additive Fertigung.
Reparaturverfahren wird demonstriert, Anlagenkonzept wird analysiert
Am Ende des Projekts steht ein optimiertes Verfahren zur qualitativ hochwertigen und reproduzierbaren additiven Reparatur von PFCs. Das Verfahren wird demonstriert und hinsichtlich seiner industriellen Anwendbarkeit und Nachhaltigkeit bewertet.
Darüber hinaus soll ein Anlagenkonzept entstehen, das in ein Fusionskraftwerk integriert werden kann. Unter Berücksichtigung aktueller Entwicklungen werden verschiedene Implementierungskonzepte für das Anlagenkonzept und das Verfahren analysiert und bewertet.
Förderung
Das Projekt »ISEGRIM« wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Förderkennzeichen: 13F1006E
Projektträger: VDI Technologiezentrum GmbH
Projektpartner
- BCT Steuerungs- und DV-Systeme GmbH, Dortmund (Koordination)
- Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich
- Fraunhofer IPT, Aachen
- LaVa-X GmbH, Herzogenrath
- Precitec GmbH & Co. KG, Gaggenau
- ALOtec Dresden GmbH, Kesselsdorf